BRPI1000249A2 - low voltage power supply - Google Patents
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Abstract
FONTE DE ALIMENTAçãO DE BAIXATENSãO. A presente invenção refere-se a uma fonte de alimentação (1) de baixa tensão dotada de componentes discretos. A fonte de alimentação compreende um circuito temporizador (4) capaz de estabelecer uma base de tempo variável no disparo de uma chave principal (5), chaveando a condução elétrica da fonte (1). Além disso, a fonte (1) compreende também outros dois componentes capazes de interferir na freqúência de chaveamento da fonte, sendo eles: imitador de corrente (13) e limitador de tensão de saída (12). Quando o limitador de corrente (13) detecta uma situação de sobrecorrente ou quando o imitador de tensão de saída (12) detecta uma situação de sobretensão um latch (14) é acionado fazendo com que a tensão do circuito temporizador (4) seja desviada da chave principal (5) para si mesmo, ocasionando, assim, a abertura da chave principal (5).LOW POWER SUPPLY. The present invention relates to a low voltage power supply (1) with discrete components. The power supply comprises a timer circuit (4) capable of establishing a variable time base when triggering a main switch (5), switching the electrical conduction of the source (1). In addition, the source (1) also comprises two other components capable of interfering in the switching frequency of the source, namely: current imitator (13) and output voltage limiter (12). When the current limiter (13) detects an overcurrent situation or when the output voltage mimic (12) detects an overvoltage situation, a latch (14) is activated causing the voltage of the timer circuit (4) to be deviated from the main key (5) for itself, thus causing the opening of the main key (5).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "FONTE DE ALIMENTAÇÃO DE BAIXA TENSÃO"Patent Descriptive Report for "LOW VOLTAGE POWER SUPPLY"
Campo da InvençãoField of the Invention
A presente invenção se refere a uma fonte de alimentação de baixa tensão, mais precisamente a uma fonte de alimentação composta por dispositivos eletrônicos discretos.The present invention relates to a low voltage power supply, more precisely to a power supply composed of discrete electronic devices.
Descrição do estado da técnicaDescription of the prior art
Todos os tipos de circuitos eletrônicos de controle, quaisquer que sejam as suas aplicações, precisam de uma fonte de alimentação de energia elétrica que forneça tensão e corrente elétrica dentro de valores e de formas de onda adequadas ao seu funcionamento.All types of control electronic circuits, whatever their applications, need an electrical power supply that provides voltage and current within the proper range and waveform for their operation.
No atual estado da técnica existem inúmeros tipos, marcas e tamanhos de fontes de alimentação para os mais variados tipos de aplicação. No que diz respeito ao campo dos eletrodomésticos, no entanto, as opções de fontes de alimentação para os circuitos de con- trole, infelizmente, não são tão baratas principalmente no que tange aos produtos projeta- dos dentro de uma filosofia de baixo custo, além de não apresentarem muita flexibilidade no que tange à potência e a tensão de saída.In the current state of the art there are numerous types, brands and sizes of power supplies for various application types. With regard to the field of home appliances, however, power supply options for control circuits, unfortunately, are not so cheap especially with regard to products designed within a low cost philosophy and not have much flexibility in terms of output power and voltage.
Isto se deve ao fato destas fontes de alimentação serem providas na forma de uma solução fechada. Desta forma, dentro da topologia de cada fabricante é possível apenas configurar alguns componentes específicos, com o objetivo de alterar a tensão de saída. Ainda, estes circuitos compreendem como principal componente um circuito integrado res- ponsável por, dentre outras funções, controlar o chaveamento característico das fontes de alimentação aplicadas em sistemas de controle.This is because these power supplies are provided in the form of a closed solution. Thus, within the topology of each manufacturer it is possible to configure only some specific components, in order to change the output voltage. Moreover, these circuits comprise as main component an integrated circuit responsible for, among other functions, controlling the characteristic switching of the power supplies applied in control systems.
Em função deste tipo de construção que as fontes de alimentação do estado da técnica possuem se torna impossível a substituição de um componente de uma fonte de alimentação de um fabricante por outro componente de outra fonte de alimentação de outro fabricante. Este problema é explicado pelo fato de que cada fabricante desenvolve a sua fonte de alimentação para operar exclusivamente com o seu circuito integrado. Assim, se torna praticamente impossível tentar baratear os custos da fonte de alimentação de um sis- tema de controle de um eletrodoméstico através do intercâmbio de peças de fabricantes diferentes.Due to this type of construction which prior art power supplies have, it becomes impossible to replace one component of one manufacturer's power supply with another component of another manufacturer's power supply. This problem is explained by the fact that each manufacturer develops its power supply to operate exclusively with its integrated circuit. This makes it virtually impossible to try to make the cost of the power supply of a home appliance control system cheaper by exchanging parts from different manufacturers.
Neste sentido, é possível notar que o atual contexto das fontes de alimentação para os sistemas de controle de eletrodomésticos carecem de uma solução de baixo custo, que possua flexibilidade, isto é, que possa ser montada por componentes equivalentes de fabri- cantes diferentes e que também seja flexível na escolha da potência e da tensão de saída.In this sense, it can be noted that the current context of power supplies for home appliance control systems lacks a low cost solution that has flexibility, that is, that can be assembled by equivalent components from different manufacturers and that also be flexible in choosing output power and voltage.
Objetivos da InvençãoObjectives of the Invention
É, portanto, um objetivo desta invenção prover uma fonte de alimentação de baixo custo e flexível em termos de potência e tensão de saída e flexível em termos da possibili- dade de escolha de componentes de fabricantes diferentes. Sumário da InvençãoIt is therefore an object of this invention to provide a low cost and flexible power supply and output voltage and a flexible choice of components from different manufacturers. Summary of the Invention
Os objetivos da presente invenção são atingidos por meio de uma fonte de alimen- tação de baixa tensão compreendendo: um estágio de entrada de tensão elétrica que com- preende um retificador; um estágio de saída conectado a uma carga, sendo que esta fonte compreende ainda: um circuito temporizador que possui as suas entradas conectadas ao barramento DC da fonte e é configurado para ter a sua base de tempo variável conforme a variação da tensão do dito barramento DC; uma chave principal compreendendo pelo me- nos um terminal de ativação e dois terminais de condução, sendo que a saída do circuito temporizador é conectada ao dito terminal de ativação; um dispositivo armazenador de e- nergia elétrica conectado eletricamente ao primeiro terminal de condução da chave principal e projetado para alimentar um ativador. O ativador possui a sua entrada conectada eletrica- mente ao dispositivo armazenador de energia elétrica e a sua saída conectada ao terminal de ativação da chave principal. O ativador é, ainda, configurado para realizar descargas rápidas de energia em sua saída; um limitador de tensão de saída sendo conectado em pa- ralelo ao estágio de saída da fonte, o dito limitador sendo ainda configurado para acionar um Iatch através de sua saída; um limitador de corrente tendo a sua entrada conectada ele- tricamente em série ao segundo terminal de condução da chave principal, o dito limitador de corrente sendo configurado para acionar um latch; um protetor de sobrecorrente tendo a sua entrada conectada eletricamente em série com a carga e sua saída conectada eletrica- mente ao circuito limitador de tensão de saída; e um latch tendo a sua entrada eletricamen- te conectada à saída do limitador de corrente e ao limitador de tensão de saída e sendo conectado ainda à saída do circuito temporizador e ao terminal de ativação (6) da chave principal, o latch sendo configurado para receber a descarga do circuito temporizador medi- ante a sua ativação pelo limitador de corrente e/ou pelo limitador de tensão de saída.The objects of the present invention are achieved by means of a low voltage power supply comprising: an electrical voltage input stage comprising a rectifier; an output stage connected to a load, this source further comprising: a timer circuit that has its inputs connected to the DC bus of the source and is configured to have its time base variable according to the voltage variation of said DC bus ; a main switch comprising at least one activation terminal and two driving terminals, the timer circuit output being connected to said activation terminal; an electrical energy storage device electrically connected to the first lead terminal of the main switch and designed to power an activator. The activator has its input electrically connected to the energy storage device and its output connected to the main switch activation terminal. The activator is further configured to perform rapid discharges of energy at its output; an output voltage limiter being connected in parallel to the source output stage, said limiter further being configured to drive an Iatch through its output; a current limiter having its input electrically connected in series to the second lead terminal of the main switch, said current limiter being configured to drive a latch; an overcurrent protector having its input electrically connected in series with the load and its output electrically connected to the output voltage limiting circuit; and a latch having its input electrically connected to the current limiter output and the output voltage limiter and further being connected to the timer circuit output and the main switch activation terminal (6), the latch being set to receive the discharge of the timer circuit by activating it by the current limiter and / or the output voltage limiter.
Descrição Resumida dos DesenhosBrief Description of the Drawings
As figuras mostram:The figures show:
Figura 1 - Um diagrama de blocos dos principais componentes da fonte de alimen- tação da presente invenção;Figure 1 - A block diagram of the main components of the power supply of the present invention;
Figura 2 - A concretização preferencial do circuito da fonte de alimentação da pre- sente invenção tendo em destaque os componentes de cada bloco do diagrama da figura 1;Figure 2 - The preferred embodiment of the power supply circuit of the present invention highlighting the components of each block of the diagram of Figure 1;
Figura 3 - O caminho que a corrente percorre durante o início do ciclo de partida da fonte;Figure 3 - The path the current travels during the beginning of the source start cycle;
Figura 4 - O caminho que a corrente percorre quando do estabelecimento da con- dução da chave principal;Figure 4 - The path that the current travels when the main switch conduction is established;
Figura 5-0 sub-circuito ativador em destaque;Figure 5-0 highlighted activator sub circuit;
Figura 6-0 caminho que a corrente percorre no sub-circuito ativador quando da polarização do transistor do ativador; Figura 7 - Os gráficos representam as tensões, ao longo do tempo, que atuam du- rante o chaveamento da chave principal da fonte de alimentação da presente invenção;Figure 6-0 The path current flows through the activator subcircuit when activator transistor biases; Figure 7 - The graphs represent the voltages over time acting during the switching of the main switch of the power supply of the present invention;
Figura 8-0 caminho que a corrente percorre quando a chave principal acaba de ser aberta;Figure 8-0 the path the current travels when the main switch has just been opened;
Figura 9 - O caminho que a corrente percorre quando da polarização do transistor do limitador de tensão de saída;Figure 9 - The path the current travels when polarizing the output voltage limiter transistor;
Figura 10 - O caminho que a corrente percorre quando da polarização dos transis- tores do Iatch pelo limitador de tensão de saída;Figure 10 - The path the current travels when polarizing the Iatch transistors by the output voltage limiter;
Figura 11 - O limitador de corrente em destaque; eFigure 11 - Featured current limiter; and
Figura 12-0 caminho que a corrente percorre quando da polarização dos transis- tores do Iatch pelo limitador de corrente.Figure 12-0 The path current travels when polarizing the Iatch transistors through the current limiter.
Figura 13-0 caminho que a corrente percorre quando da polarização do circuito de proteção de sobrecorrente e/ou curto-circuito na saída da fonte de alimentação da pre- sente invenção.Figure 13-0 The path the current travels when the overcurrent and / or short circuit protection circuit is polarized at the power supply output of the present invention.
Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention
A fonte de alimentação 1 de baixa tensão da presente invenção é preferencialmen- te aplicada em eletrodomésticos e mais preferencialmente utilizada para alimentar sistemas de controles de eletrodomésticos.The low voltage power supply 1 of the present invention is preferably applied to home appliances and most preferably used to power home appliance control systems.
Além disso, a fonte de alimentação 1 da presente invenção é um circuito preferen- cialmente montado em uma placa de circuito impresso, como os técnicos no assunto bem podem imaginar.In addition, the power supply 1 of the present invention is a circuit preferably mounted on a printed circuit board, as those skilled in the art can well imagine.
A figura 1 ilustra a fonte de alimentação 1 esquematicamente por meio de um dia- grama de blocos que mostra os principais sub-circuitos que compõe o circuito da fonte 1. A partir desta figura 1 é possível perceber que a fonte de alimentação 1 compreende uma en- trada de tensão elétrica que, preferencialmente, é representado pela rede de energia elétri- ca 2 associada a um estágio de entrada 3. Na concretização preferencial da presente in- venção o estágio de entrada 3 compreende um resistor e um retificador. Nas figuras 1 a 6 e 8 a 13 o estágio de entrada 3 é representado por meio do resistor R1 e seu retificador é representado por dois diodos D1 e D2.Figure 1 illustrates power supply 1 schematically by means of a block diagram showing the main sub circuits that make up the source 1 circuit. From this figure 1 it can be seen that power supply 1 comprises a voltage input which is preferably represented by the power grid 2 associated with an input stage 3. In the preferred embodiment of the present invention the input stage 3 comprises a resistor and a rectifier. In Figures 1 to 6 and 8 to 13 the input stage 3 is represented by resistor R1 and its rectifier is represented by two diodes D1 and D2.
A rede de energia elétrica 2, como os técnicos no assunto sabem, fornece tensão elétrica alternada, sendo que os controles eletrônicos dos eletrodomésticos e boa parte dos equipamentos eletrônicos não utilizam a tensão elétrica tal qual ela é fornecida pela rede 2, ou seja, de forma alternada. Sendo assim, a fonte de alimentação de baixa tensão 1 da pre- sente invenção compreende um retificador formado pelos dois diodos D1 e D2 do estágio de entrada 3 de tensão elétrica.Electricity network 2, as those skilled in the art know, provide alternating electrical voltage, and electronic controls on appliances and most electronic equipment do not use the electrical voltage as provided by network 2, ie alternate form. Thus, the low voltage power supply 1 of the present invention comprises a rectifier formed by the two diodes D1 and D2 of the input voltage stage 3.
Tendo em vista que retificadores e suas aplicações em fontes de alimentação são elementos já bastante conhecidos pelos técnicos no assunto, eles não serão aqui pormeno- rizados. Neste sentido, quaisquer tipos de retificadores condizentes com as características da fonte de alimentação 1 da presente invenção podem ser empregados.Since rectifiers and their power supply applications are well known to those skilled in the art, they will not be detailed here. In this regard, any type of rectifier consistent with the characteristics of the power supply 1 of the present invention may be employed.
Além do estágio de entrada 3 de tensão elétrica, a fonte de alimentação 1 da pre- sente invenção compreende também outros elementos amplamente encontrados em fontes de alimentação, tais como: filtro de compatibilidade eletromagnética 17 (também conhecido como filtro EMC), mantenedor de tensão mínima 18 nos barramentos 16 da fonte 1 e um protetor de sobretensão 19.In addition to the electrical voltage input stage 3, the power supply 1 of the present invention also comprises other elements widely found in power supplies such as: electromagnetic compatibility filter 17 (also known as EMC filter), voltage maintainer. 18 on source bus 16 and a surge protector 19.
O filtro de compatibilidade eletromagnética 17 e o mantenedor de tensão mínima 18 nos barramentos 16 da fonte 1 são ilustrados nas figuras 1 a 6 e 8 a 12 por meio da as- sociação de dois capacitores C1 e C2 com um resistor R2. A figura 2 ilustra com mais clare- za os componentes que fazem parte do filtro de compatibilidade eletromagnética 17 e o mantenedor de tensão mínima 18.The electromagnetic compatibility filter 17 and the minimum voltage maintainer 18 in the source 1 busbars 16 are illustrated in Figures 1 to 6 and 8 to 12 by associating two capacitors C1 and C2 with a resistor R2. Figure 2 illustrates more clearly the components that are part of the electromagnetic compatibility filter 17 and the minimum voltage maintainer 18.
O protetor de sobretensão 19, por sua vez, é constituído por um varistor Varl co- nectado eletricamente em paralelo à rede de energia elétrica 2.The overvoltage protector 19, in turn, consists of a Varl varistor electrically connected in parallel to the power grid 2.
Elementos do ciclo de partida da fonte de alimentação A fonte de baixa tensão 1 da presente invenção compreende ainda um circuito temporizador 4, responsável por estabelecer uma base de tempo para o início da condução da chave principal 5 da fonte de alimentação 1 da presente invenção. Mais precisamente, o circuito temporizador 4 é conectado em paralelo ao barramento DC 16 da fonte de alimenta- ção 1 e é configurado para ter a sua base de tempo variando conforme o dito barramento DC 16 varia a sua tensão, fazendo, assim, com que a chave principal 5 seja acionada com base de tempo variável, isto é, seja acionada com freqüência de chaveamento variável. A partir das figuras, pode ser visto, mais precisamente, que o circuito temporizador 4 tem suas entradas conectadas ao barramento DC 16 da fonte de alimentação 1 da presente invenção.Power Supply Starting Elements The low voltage source 1 of the present invention further comprises a timer circuit 4 responsible for establishing a time base for the start of conduction of the main switch 5 of the power supply 1 of the present invention. More precisely, the timer circuit 4 is connected in parallel to the DC 16 bus of the power supply 1 and is configured to have its time base varying as said DC 16 bus varies its voltage, thus causing main switch 5 is to be activated on a variable time basis, ie to be activated with a variable switching frequency. From the figures, it can be seen, more precisely, that the timer circuit 4 has its inputs connected to the DC bus 16 of the power supply 1 of the present invention.
Como pode ser visto a partir da figura 14, preferencialmente, o circuito temporiza- dor 4 é um circuito RC1 neste caso, formado pelos resistores R3 e R19 e pelo capacitor C3. Desse modo, quando o capacitor C3 é carregado, em um determinado instante, a diferença de potencial sobre ele é suficiente para fazer iniciar a condução da chave principal 5 e con- sequentemente iniciar a condução de corrente elétrica.As can be seen from figure 14, preferably, the timer circuit 4 is a circuit RC1 in this case formed by resistors R3 and R19 and capacitor C3. Thus, when capacitor C3 is charged at a given time, the potential difference over it is sufficient to initiate conduction of main switch 5 and consequently initiate conduction of electric current.
A chave principal 5 compreende pelo menos um terminal de ativação 6 e dois ter- minais de condução 7. Com pode ser visto a partir da figura 1 a saída do circuito temporiza- dor 4 é conectada ao terminal de ativação 6 da chave principal 5. Na concretização prefe- rencial, ilustrada na figura 2, a chave principal 5 é um transistor do tipo mosfet, desse modo, o seu terminal de ativação 6 o é o terminal porta ("gate") e seus terminais de condução 7 são os terminais dreno e "source". Obviamente, outros tipos de chaves 5 podem ser utiliza- das, ou, ainda, outros tipos de transistores podem ser empregados na presente invenção, contanto que atendam a necessidade de operação da fonte 1 da presente invenção. A chave principal 5 possui um primeiro terminal de condução 7 conectado a um dispositivo armazenador de energia elétrica 8. Desse modo, quando a chave principal 5 está conduzindo corrente através de seus terminais de condução 7, o dispositivo armazenador de energia elétrica 8 é carregado. Na concretização preferencial da presente invenção, este dispositivo armazenador de energia elétrica 8 é um indutor conectado ao primeiro terminal de condução 7 da chave principal 5, ou seja, ao terminal dreno da chave principal 5. Entre- tanto, outros dispositivos armazenadores de energia 8 podem ser empregados dentro do escopo da presente invenção.Main switch 5 comprises at least one activation terminal 6 and two drive terminals 7. As can be seen from Figure 1, the output of timer circuit 4 is connected to the activation terminal 6 of main switch 5. In the preferred embodiment, illustrated in Figure 2, the main switch 5 is a mosfet transistor, so its activation terminal 6 is the gate terminal and its conduction terminals 7 are the terminal. drain and "source". Of course, other types of switches 5 may be used or other types of transistors may be employed in the present invention as long as they meet the need for operation of the source 1 of the present invention. Master switch 5 has a first lead terminal 7 connected to an electrical storage device 8. Thus, when master switch 5 is conducting current through its lead terminals 7, the electrical storage device 8 is charged. In the preferred embodiment of the present invention, this electric energy storage device 8 is an inductor connected to the first conduction terminal 7 of the main switch 5, that is, to the main switch drain terminal 5. However, other energy storage devices 8 may be employed within the scope of the present invention.
O dispositivo armazenador de energia elétrica 8 é projetado, ainda, para polarizar um ativador 9. O ativador 9 tem as suas entradas conectadas eletricamente ao dispositivo armazenador de energia 8 e a sua saída conectada eletricamente ao terminal de ativação 6 da chave principal 5. Na concretização preferencial ilustrada na figura 2, o ativador 9 da fonte de alimentação 1 da presente invenção é um sub-circuito transistorizado que compre- ende um capacitor de descarga rápida C4 e pelo menos um transistor Q3. Assim, quando a tensão elétrica sobre o dispositivo armazenador de energia elétrica 8 assume um valor que polarize o transistor Q3 do ativador 9, ocorre a condução de corrente elétrica entre o capaci- tor de descarga rápida C4 (conectado ao seu terminal emissor) e o resistor R5 (conectado ao seu terminal coletor). Assim, tendo em vista que o resistor R5 do ativador 9 é conectado eletricamente ao terminal de ativação 6 da chave principal 5, a corrente elétrica, neste situa- ção, circula pelo terminal de ativação 6 da chave principal 5.The energy storage device 8 is further designed to polarize an activator 9. Activator 9 has its inputs electrically connected to the energy storage device 8 and its output electrically connected to the activation terminal 6 of main switch 5. On In the preferred embodiment illustrated in FIG. 2, the power supply activator 9 of the present invention is a transistorized sub-circuit comprising a quick discharge capacitor C4 and at least one transistor Q3. Thus, when the voltage on the energy storage device 8 assumes a value that biases the transistor Q3 of the activator 9, electrical current conducts between the quick discharge capacitor C4 (connected to its emitter terminal) and the resistor R5 (connected to its collector terminal). Thus, since the activator resistor R5 9 is electrically connected to the activation terminal 6 of the main switch 5, the electric current in this situation circulates through the activation terminal 6 of the main switch 5.
Operação da fonte na partida (tensão de saída abaixo da tensão nominal)Starting source operation (output voltage below rated voltage)
O circuito temporizador 4, o dispositivo armazenador de energia 8 e o ativador 9 são os componentes envolvidos no disparo da chave principal 5 da fonte de alimentação 1.Timer circuit 4, energy storage device 8 and activator 9 are the components involved in tripping main switch 5 from power supply 1.
Assim, no que diz respeito especificamente ao disparo da chave principal 5 da fonte de alimentação 1 de baixa tensão, inicialmente, a tensão proveniente da rede de energia elétrica 2 é retificada e, então, alimenta o circuito temporizador 4. O circuito temporizador 4, por sua vez, tem a sua tensão incrementada ao longo do tempo, ocasionando, assim, a condução da chave principal 5. Em ato contínuo, pelo efeito da condução de corrente elétri- ca através da chave principal 5, o dispositivo armazenador de energia elétrica 8 tem a sua corrente incrementada ao longo do tempo. Desse modo, o ativador 9 é polarizado pelo dis- positivo armazenador de energia elétrica 8, o que ocasiona uma descarga rápida de corren- te elétrica sobre o terminal de ativação 6 da chave principal 5, a qual sofre um incremento grande de tensão, e, em seguida, uma queda abrupta a um valor que tende a zero. Esta queda abrupta é ocasionada pelo circuito Iatch 14 que nesta etapa de funcionamento da fonte de alimentação 1, é acionado por um circuito limitador de corrente 13, conforme será explicado mais adiante.Thus, with regard specifically to tripping the main switch 5 of the low voltage power supply 1, initially the voltage from the power grid 2 is rectified and then supplies the timer circuit 4. The timer circuit 4, In turn, its voltage increases over time, thus leading to the conduction of the main switch 5. In a continuous act, by the effect of conduction of electric current through the main switch 5, the energy storage device 8 has its current increased over time. In this way, the activator 9 is polarized by the energy storage device 8, which causes a rapid discharge of electric current over the activation terminal 6 of the main switch 5, which undergoes a large voltage increase, and then an abrupt drop to a value that tends to zero. This sharp drop is caused by the Iatch circuit 14 which in this operating step of the power supply 1 is driven by a current limiting circuit 13, as will be explained below.
Mais detalhadamente, como pode ser visto a partir da figura 3, com o início da ali- mentação do circuito da fonte 1 pela rede de energia elétrica 2, o capacitor C3 do circuito temporizador 4 começa a ser carregado. Assim, é estabelecida uma tensão elétrica entre o terminal de ativação ("gate") e o segundo terminal de condução ("source") capaz de fazer a chave principal 5 conduzir corrente através de seus terminais de condução 7. A tensão ne- cessária para fazer o transistor, utilizado como chave principal 5 na presente invenção con- duzir, é de aproximadamente 5 Volts.In more detail, as can be seen from FIG. 3, with the start of power supply circuit 1 by power supply 2, capacitor C3 of timer circuit 4 begins to charge. Thus, an electrical voltage is established between the gate terminal and the second drive terminal capable of causing main switch 5 to conduct current through its lead terminals 7. The required voltage To make the transistor, used as main switch 5 in the present invention to drive, is approximately 5 Volts.
Na figura 3 está destacado o circuito percorrido pela corrente elétrica pouco antes da chave principal 5 entrar em condução. A figura 4, por sua vez, destaca o caminho percor- rido pela corrente que circula pela carga 10 tão logo é estabelecida a condução entre os terminais de condução 7 da chave principal 5. Em ambas as figuras, a carga 10 é alimenta- da.Figure 3 shows the circuit that the electric current travels just before the main switch 5 starts driving. Figure 4, in turn, highlights the path taken by the current flowing through the load 10 as soon as the conduction between the lead terminals 7 of the main switch 5 is established. In both figures, the load 10 is fed. .
O dispositivo armazenador de energia elétrica 8 a partir do momento em que é es- tabelecida a condução entre os terminais de condução 7 da chave principal 5, começa a ser carregado. Como pode ser percebido, este dispositivo de armazenador 8 é conectado em paralelo com a entrada do circuito do ativador 9, mais precisamente sendo conectado com os terminais de base e emissor do transistor Q3 do ativador 9. Desse modo, quando a ten- são sobre o dispositivo de armazenador de energia elétrica 8 atinge um nível suficiente para polarizar o circuito transistorizado do ativador 9, o transistor Q3 do ativador 9 entra em mo- do de condução. Assim, uma corrente elétrica circula rapidamente pelo capacitor C4 e é direcionada ao terminal de ativação 6 da chave principal 5. Isto causa um pico de tensão no terminal de ativação 6 da chave principal 5, fazendo com que a chave principal 5 entre com- pletamente em condução.The power storage device 8 from the moment conduction is established between the conduction terminals 7 of the main switch 5, begins to be charged. As can be seen, this storage device 8 is connected in parallel with the activator circuit input 9, more precisely being connected to the base and emitter terminals of activator transistor Q3. Thus, when the voltage on power storage device 8 reaches a level sufficient to polarize the transistor circuit of activator 9, transistor Q3 of activator 9 goes into conduction mode. Thus, an electric current flows rapidly through capacitor C4 and is directed to the activation terminal 6 of the main switch 5. This causes a surge in the activation terminal 6 of the main switch 5, causing the main switch 5 to fully enter. driving.
A figura 5 destaca o sub-circuito da fonte 1 que corresponde ao ativador 9. A figura 6, por seu turno, ilustra o caminho que a corrente elétrica responsável pelo pico de tensão no terminal de ativação 6 da chave principal 5 percorre, quando o transistor Q3 do ativador 9 é polarizado e entra em condução.Figure 5 highlights the source 1 sub-circuit that corresponds to activator 9. Figure 6, in turn, illustrates the path that the electric current responsible for the voltage peak at the activation terminal 6 of main switch 5 when transistor Q3 of activator 9 is polarized and goes into conduction.
Os gráficos ilustrados na figura 7 representam as tensões, ao longo do tempo, que atuam durante o chaveamento da chave principal 5 da fonte de alimentação 1 da presente invenção. A primeira curva representa a tensão sobre o capacitor C3 do circuito temporiza- dor 4. A segunda curva representa o pico de tensão sobre o terminal de ativação 6 da chave principal 5, como conseqüência da ação do circuito ativador 9. A terceira curva da figura 7 representa a tensão medida entre os terminais "gate", ou terminal de ativação 6, e o termi- nal "source" da chave principal 5, que é, mais precisamente, a soma das tensões represen- tadas na primeira e na segunda curva da figura 7.The graphs shown in Fig. 7 represent the voltages acting over time during switching of the main switch 5 of the power supply 1 of the present invention. The first curve represents the voltage over capacitor C3 of the timer circuit 4. The second curve represents the peak voltage over the activation terminal 6 of the main switch 5, as a consequence of the action of the activator circuit 9. The third curve of the figure 7 represents the voltage measured between the gate terminals, or activation terminal 6, and the source terminal of the main switch 5, which is more precisely the sum of the voltages represented in the first and second curves. of figure 7.
Quando a chave principal 5 entra completamente em condução, a corrente elétrica começa a circular (e a aumentar gradativamente) através de um elemento sensor 20 do circuito limitador de corrente 13. Na concretização preferencial da presente invenção, este elemento sensor 20 é um resistor que está representado, nas figuras, por meio da referên- cia R10 e é parte do limitador de corrente 13. O limitador de corrente 13, por sua vez, tem a sua entrada conectada eletricamente em série ao segundo terminal de condução 7 da chave principal 5 e é configurado para acionar um circuito Iatch 14, como será explicado a seguir.When the main switch 5 completely enters conduction, the electric current begins to circulate (and gradually increase) through a sensor element 20 of the current limiting circuit 13. In the preferred embodiment of the present invention, this sensor element 20 is a resistor which shown in the figures by reference R10 and is part of the current limiter 13. The current limiter 13, in turn, is electrically connected in series to the second lead terminal 7 of the main switch 5. and is configured to drive an Iatch 14 circuit as explained below.
Além disso, cabe mencionar que o limitador de corrente 13 compreende, além do elemento sensor 20 de corrente 20, um segundo resistor R9 e um capacitor C5, os quais formam um filtro passa baixa, como pode ser visto na figura 11.Furthermore, it should be noted that the current limiter 13 comprises, in addition to the current sensing element 20, a second resistor R9 and a capacitor C5, which form a low pass filter, as can be seen in figure 11.
Na concretização preferencial da presente invenção, o Iatch 14 tem a sua entrada eletricamente conectada à saída do limitador de corrente 13 e à saída do limitador de ten- são de saída 12. Além disso, o Iatch 14 é conectado à saída do circuito temporizador 4 e ao terminal de ativação 6 da chave principal 5. Desta forma, o Iatch 14 é configurado para re- ceber a descarga do circuito temporizador 4 mediante a sua ativação pelo limitador de cor- rente 13 e/ou pelo limitador de tensão de saída 12.In the preferred embodiment of the present invention, Iatch 14 has its input electrically connected to the current limiter output 13 and output voltage limiter output 12. In addition, Iatch 14 is connected to the timer circuit 4 output and to the activation terminal 6 of the main switch 5. In this way, the Iatch 14 is configured to receive the discharge of the timer circuit 4 by its activation by the current limiter 13 and / or the output voltage limiter 12. .
Assim, o aumento gradativo de corrente faz com que apareça um aumento gradati- vo de tensão através do elemento sensor 20 (R10 nas figuras) do circuito limitador de cor- rente 13. Esta tensão aumenta até que a saída do circuito limitador de corrente 13 possua uma tensão suficiente para acionar o circuito Iatch 14 ilustrado na figura 1. Por sua vez, quando acionado, o circuito Iatch 14 é responsável por reduzir muito rapidamente a tensão, atém então presente no terminal de ativação 6 da chave principal 5, a níveis que tendem a zero. Este nível de tensão faz com que a chave principal 5 entre em corte, cessando a circu- lação de corrente através dela. Quando o Iatch 14 é acionado, a energia acumulada no cir- cuito temporizador 4 (mais precisamente no capacitor C3) é descarregada pelo próprio Iatch 14. Esta operação é representada pela figura 12.Thus, the gradual increase in current causes a gradual increase in voltage to appear through the sensor element 20 (R10 in the figures) of the current limiting circuit 13. This voltage increases until the output of the current limiting circuit 13 has sufficient voltage to drive the Iatch 14 circuit shown in Figure 1. In turn, when triggered, the Iatch 14 circuit is responsible for very quickly reducing the voltage, even present in the activation terminal 6 of the main switch 5, at levels that tend to zero. This voltage level causes the main switch 5 to shut down, ceasing current flow through it. When Iatch 14 is activated, the accumulated energy in timer circuit 4 (more precisely capacitor C3) is discharged by Iatch 14 itself. This operation is represented by Figure 12.
Quando a chave principal 5 pára de conduzir, ainda resta energia elétrica acumula- da no dispositivo armazenador de energia elétrica 8. Desse modo, esta energia é descarre- gada sobre um estágio de saída 11 da fonte de alimentação 1, o qual mantém a carga 10 alimentada até que a energia do dispositivo armazenador 8 seja totalmente descarregada ou até que a chave principal 5 esteja novamente em condução. A figura 8 ilustra o caminho percorrido pela corrente quando esta situação ocorre. Como pode ser visto, o dispositivo armazenador de energia 8 (sendo, neste caso, um indutor) é descarregado sobre o estágio de saída 11, representado pelo sub-circuito formado pela carga 10, por um capacitor C6 do estágio de saída 11 e por um diodo D8 do estágio de saída. É importante notar que, nesta situação de descarga de energia, o dispositivo armazenador 8 tem a sua polaridade inverti- da, ou seja, a polaridade do dispositivo armazenador 8 possui uma configuração quando alimenta o ativador 9 e uma configuração invertida em relação à primeira quando se descar- rega sobre o estágio de saída 11. Esta inversão de polaridade faz com que a chave principal 5 está em corte, parte da energia armazenada no dispositivo armazenador 8 seja descarre- gada através do diodo D5, do resistor R11 e do diodo D4, todos contidos no ativador 9. Este fluxo de corrente também está representada pela figura 8. Este processo força o corte do transistor Q3 do ativador 9. Depois do dispositivo armazenador de energia elétrica 8 ser quase ou totalmente descarregado, o ciclo de disparo da chave principal 5 descrito até aqui se inicia novamente, fazendo com que a tensão de saída da fonte 1 seja incrementada com o passar de cada ciclo de disparo. Quando a tensão de saída da fonte 1, após sucessivos ciclos de disparo, atingir o valor nominal, a fonte de tensão 1 da presente invenção tem a sua operação modificada, por meio da intervenção de outros subcircuitos.When the main switch 5 stops driving, accumulated electricity is still left in the energy storage device 8. This energy is then discharged over an output stage 11 of the power supply 1, which maintains the load. 10 until the power of the storing device 8 is fully discharged or until the master switch 5 is driving again. Figure 8 illustrates the path taken by the current when this situation occurs. As can be seen, the energy storage device 8 (in this case an inductor) is discharged over the output stage 11, represented by the sub-circuit formed by the load 10, a capacitor C6 of the output stage 11 and by a diode D8 of the output stage. It is important to note that in this energy discharge situation the storage device 8 has its inverted polarity, ie the polarity of the storage device 8 has a configuration when feeding the activator 9 and an inverted configuration with respect to the first when This output polarity causes the main switch 5 to be cut off, part of the energy stored in the storage device 8 is discharged via diode D5, resistor R11 and diode D4. , all contained in activator 9. This current flow is also represented by figure 8. This process forces the transistor Q3 from activator 9 to be cut. After the power storage device 8 is almost or completely discharged, the switch trip cycle The main signal described here begins again, causing the output voltage of source 1 to be increased over each trip cycle. When the output voltage of source 1, after successive tripping cycles, reaches the nominal value, the voltage source 1 of the present invention has its operation modified by the intervention of other subcircuits.
Operação da fonte após sua saída atingir a tensão nominalOperation of the source after its output reaches rated voltage
O ciclo de partida da fonte de alimentação 1, descrito acima, vai, como já dito, in- crementando a tensão de saída ao longo do tempo. Assim, para impedir que a tensão de saída ultrapasse o valor nominal e cause danos à sua carga (sistema de controle de um eletrodoméstico), a presente invenção compreende o sub-circuito limitador de tensão de saída 12.The starting cycle of power supply 1, described above, will, as already mentioned, increase the output voltage over time. Thus, to prevent the output voltage from exceeding the rated value and causing damage to its load (appliance control system), the present invention comprises the output voltage limiting sub-circuit 12.
Como pode ser visto a partir da figura 1, o limitador de tensão de saída 12 é conec- tado em paralelo com o estágio de saída 11 e com a carga 10 da fonte de alimentação 1 da presente invenção. Por conta desta conexão em paralelo, o limitador de tensão de saída 12 utiliza a tensão de saída da fonte 1 para verificar se a tensão está acima do valor nominal. Na concretização preferencial da presente invenção, o limitador de tensão de saída 12 compreende pelo menos um transistor Q2 capaz de ser polarizado por meio de uma sobre- tensão aplicada sobre o estágio de saída 11, sendo o dito transistor Q2 do limitador de ten- são de saída 12 conectado ao Iatch 14 por meio de um resistor R15. Assim, caso a tensão de saída esteja acima do valor nominal, o limitador de tensão de saída 12 aciona o Iatch 14, conectado eletricamente ao terminal de ativação 6 da chave principal 5.As can be seen from Figure 1, the output voltage limiter 12 is connected in parallel with the output stage 11 and the load 10 of the power supply 1 of the present invention. Because of this parallel connection, the output voltage limiter 12 uses the source 1 output voltage to verify that the voltage is above the rated value. In the preferred embodiment of the present invention, the output voltage limiter 12 comprises at least one transistor Q2 capable of being polarized by means of an overvoltage applied to the output stage 11, said voltage transistor Q2 being said. output 12 connected to Iatch 14 via a resistor R15. Thus, if the output voltage is above the rated value, the output voltage limiter 12 drives the Iatch 14, which is electrically connected to the activation terminal 6 of the main switch 5.
Da mesma forma como no modo de operação anterior, quando acionado, o circuito latch 14 é responsável por reduzir muito rapidamente a tensão até então presente no termi- nal de ativação 6 da chave principal 5, a níveis tendendo a zero. Este nível de tensão faz com que a chave principal 5 entre em corte, cessando a circulação de corrente através dela.As in the previous mode of operation, when triggered, the latch circuit 14 is responsible for very quickly reducing the voltage hitherto present in the activation terminal 6 of the main switch 5 to levels tending to zero. This voltage level causes the main switch 5 to shut down, ceasing current flow through it.
O capacitor C6 do estágio de saída 11 da fonte 1 é conectado em paralelo com o limitador de tensão de saída 12. Desse modo, a tensão de saída é diretamente aplicada sobre o limitador de tensão de saída 12, o que torna a ação do limitador 12 imediata, caso exista sobretensão.The capacitor C6 of the output stage 11 of source 1 is connected in parallel with the output voltage limiter 12. Thus, the output voltage is directly applied to the output voltage limiter 12, which makes the action of the limiter. 12 immediate if there is overvoltage.
O sub-circuito limitador de tensão de saída 12 é projetado para acionar o latch 14 a partir da polarização de um transistor Q2. Assim, caso a tensão de saída seja tal que possi- bilite a polarização deste transistor, ocorre a condução de corrente elétrica através deste dispositivo até a entrada do latch 14, fazendo com que este latch 14 seja acionado. A figura 9 ilustra o caminha que a corrente percorre quando da polarização dos transistores do Iatch 14 pelo limitador de tensão de saída.The output voltage limiter sub circuit 12 is designed to drive latch 14 from the bias of a transistor Q2. Thus, if the output voltage is such that this transistor can be polarized, electrical current is passed through this device to the input of latch 14, causing this latch 14 to be triggered. Figure 9 illustrates the path current travels when polarizing the Iatch 14 transistors by the output voltage limiter.
O latch 14 compreende um capacitor que é carregado diretamente pelo sub-circuito limitador de tensão de saída 12. Este capacitor C5 do Iatch 14 é idealizado para ter um tem- po de carga curto, assim, rapidamente ele consegue polarizar os transistores Q4 e Q5 que compõe o sub-circuito do Iatch 14. Uma vez estes transistores Q4 e Q5 que compõe o sub- circuito do Iatch 14 são polarizados, o capacitor C3 do circuito temporizador 4 se descarrega sobre os componentes do Iatch 14. Esta situação pode ser melhor visualizada por meio da figura 10, a qual destaca o caminho que a corrente percorre nesta situação.Latch 14 comprises a capacitor that is charged directly by the output voltage limiting subcircuit 12. This Iatch 14 C5 capacitor is designed to have a short charge time, so it can quickly polarize transistors Q4 and Q5. that makes up the Iatch 14 subcircuit. Since these Q4 and Q5 transistors that make up the Iatch 14 subcircuit are polarized, the capacitor C3 of the timer circuit 4 discharges over the components of Iatch 14. This situation may be better. visualized by means of figure 10, which highlights the path that the current travels in this situation.
Paralelamente ao controle de sobretensão, a presente invenção também controla situações de sobrecorrente e/ou curtos-circuitos na saída da fonte de alimentação 1. O sub- circuito responsável por detectar e acionar esta proteção é o sub-circuito protetor de sobre- corrente 15. A saída deste sub-circuito de proteção de sobrecorrente está conectada ao limi- tador de tensão de saída 12, de forma a aproveitar a conexão deste com o Iatch 14. Na concretização preferencial da presente invenção, o protetor de sobrecorrente 15 tem a sua entrada conectada eletricamente em série com a carga 10 e a sua saída conectada eletri- camente ao circuito limitador de tensão de saída 12.Parallel to the overvoltage control, the present invention also controls overcurrent and / or short circuit situations at the power supply output 1. The subcircuit responsible for detecting and activating this protection is the overcurrent protective subcircuit. The output of this overcurrent protection sub-circuit is connected to the output voltage limiter 12 so as to take advantage of its connection to the Iatch 14. In the preferred embodiment of the present invention, the overcurrent protector 15 has its electrically connected input in series with load 10 and its output connected electrically to output voltage limiting circuit 12.
Neste sentido, quando uma situação de sobrecorrente e/ou curto-circuito ocorre, o protetor de sobrecorrente 15 aciona o Iatch 14 através da ação de uma parte do circuito limitador de tensão de saída 12. Mais precisamente, quando esta situação ocorre, o protetor de sobrecorrente 15 consegue polarizar o transistor Q2 do circuito limitador de tensão de saída 12. Por sua vez, a polarização (condução) de Q2 resulta no acionamento do Iatch 14 e, com isto, fazendo com que a chave principal 5 entre em corte prematuramente, prote- gendo o circuito da fonte de alimentação 1.In this sense, when an overcurrent and / or short circuit situation occurs, the overcurrent protector 15 triggers Iatch 14 through the action of a part of the output voltage limiting circuit 12. More precisely, when this situation occurs, the protector overcurrent 15 can bias the transistor Q2 of the output voltage limiter circuit 12. In turn, the biasing (conduction) of Q2 results in the activation of the Iatch 14 and thereby causing the main switch 5 to cut prematurely. , protecting the power supply circuit 1.
Em ambos os casos em que o sub-circuito protetor de sobrecorrente e/ou curto- circuito 15 ou o limitador de tensão de saída 12 atuam, a fonte 1 pára de conduzir, uma vez que a chave principal 5 é aberta, sendo que a carga 10 ainda é alimentada por meio da descarga do dispositivo armazenador de energia elétrica 8 sobre o sub-circuito do estágio de saída 11 da fonte 1.In both cases where the overcurrent and / or short circuit protective subcircuit 15 or the output voltage limiter 12 actuate, the source 1 will stop conducting once the main switch 5 is open and the The load 10 is further fed by discharging the energy storage device 8 over the sub-circuit of the output stage 11 of source 1.
Portanto, como pode ser observado, a presente invenção utiliza componentes dis- cretos, os quais são amplamente encontrados no mercado, além de possuírem um preço mais baixo em relação às soluções dotadas de um circuito integrado. Adicionalmente, pelo fato dos componentes serem simples por demais, não há a dependência de um só fabrican- te, podendo, assim, o projetista da fonte de alimentação 1 utilizar componentes de fabrican- tes diferentes no circuito aqui descrito.Therefore, as can be seen, the present invention utilizes discrete components, which are widely found on the market, and have a lower price compared to solutions with an integrated circuit. Additionally, because the components are too simple, there is no reliance on one manufacturer, so the power supply designer 1 can use components from different manufacturers in the circuit described here.
Por fim, cabe também destacar que a fonte de alimentação 1 da presente invenção compreende uma freqüência de chaveamento variável, pois além do fato de haver uma ba- se de tempo, ou freqüência de chaveamento dada pelo circuito temporizador 4, há também o momento de corte da chave principal 5 causado pela interferência do limitador de tensão de saída 12 e do limitador de corrente 13. Esta variação da freqüência de chaveamento da- da pela variação da tensão DC no barramento 16 da fonte de alimentação 1 e também pela variação da carga 10 na saída da fonte 1, provoca um espalhamento espectral da energia dos harmônicos que a fonte de alimentação 1 injeta na rede elétrica 2. No estado da técnica a freqüência de chaveamento é praticamente constante, assim, toda a energia fica concen- trada em determinados harmônicos bem definidos (múltiplos da freqüência constante), fa- zendo com que a amplitude destes harmônicos sejam significativamente maiores em rela- ção à topologia do circuito apresentada pela presente invenção, a qual utiliza freqüência de chaveamento variável. Deste modo, o desempenho em relação à interferência e à compati- bilidade eletromagnética EMC/EMI da presente invenção tende a ser superior em relação às fontes de alimentação que utilizam topologias com freqüência de chaveamento constante.Finally, it should also be noted that the power supply 1 of the present invention comprises a variable switching frequency, since in addition to the fact that there is a time base, or switching frequency, given by the timer circuit 4, there is also the moment of main switch 5 caused by interference from output voltage limiter 12 and current limiter 13. This change in switching frequency is due to the variation of DC voltage on bus 16 of power supply 1 and also by load variation. 10 at the output of source 1, causes a spectral spread of the harmonic energy that the power supply 1 injects into the mains 2. In the state of the art the switching frequency is practically constant, thus all the energy is concentrated in certain well-defined harmonics (multiples of constant frequency), making the amplitude of these harmonics significantly In relation to the circuit topology presented by the present invention, which uses variable switching frequency. Thus, the EMC / EMI interference performance and electromagnetic compatibility of the present invention tends to be superior to power supplies using constant switching frequency topologies.
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